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天线设计事关 5G成败 作者： David Talbott，贸泽电子专稿 David Talbott是 Mighty Guides ® 的 IT和技术分析师，专注于各种新兴技术，包括深度学习、云计算和边缘计算以及海量连接 (ubiquitous connectivity)，同时还关注如何将这些技术融合，以创建强大的自学习系统。 第五代新无线电(5G NR) 通信框架为 蜂窝通信提供了全新的方法 。它支持 可扩展波形、多址接入方案以及大范 围带宽的服务多路复用 。它还在支持 现 有 服 务 的 同 时 向 前 兼 容 未 来 的 要 求。 虽然与以往协议相比，5G 无线要求更 复杂的信号处理以及更高的数据传输 速率处理能力，但其成功的关键之一 在于天线设计。本文综述了5G用例和 5G规范如何改变天线设计，以及这些 新 设 计 如 何 克 服5G 网 络 实 施 中 的 最 大困难。 5 G N R 规 范 及 其 对 天 线 设 计 的 意 义 5G的设计构想是作为一种规范来实现 以下功能： • 增 强 型 移 动 宽 带 (eMBB) ：适 用 于 数 据 密 集 型 应 用，例 如 增 强 现 实(AR)、三维 (3D) 视频会议、二维 (2D) 串 流 视 频 、互 联 网 连 接 的 固 定无线接入和其他高带宽应用 • 大规模的机器类通信(mMTC) ：适 用于大规模的直接物联网(IoT)连 接，包 括 互 联 城 市 和 家 居 中 高 密 度 的 传 感 器 和 设 备 阵 列 、用 于 监 控全球复杂供应链的设备以及高 速移动的互联设备 • 超 可 靠 低 时 延 通 信(URLLC)：适 用 于 任 务 关 键 型 实 时 应 用，例 如 工业控制系统、自动驾驶汽车，以 及 需 要 高 带 宽 、高 可 靠 性 和 低 时 延的应用，例如远程实时手术 要满足这些要求，就必须使用新的频 谱。分配给5G通信的新频谱分为中低 频( 最 高6GHz [ 吉 赫 兹 ]) 和 高 频( 使 用 24GHz以上的毫米波) ，因而 5G天线设 计面临的一项挑战就是部分设备需要 在多个频带上运行 。另一个挑战则在 于，在蜂窝网络功率水平下，毫米波波 长相比中低频带而言更容易被建筑、 植物、雨滴吸收，将毫米波通信限制在 视线范围之内，因而需要小型的蜂窝 网络，但会增加蜂窝之间发生边缘干 扰的可能性。 此外，还要关注天线的尺寸。尽管较高 的频率只需较小的天线就可以实现相 同的增益水平，但较小的天线捕获的 能量也少，因此与低频相比有效范围 也更小。另一方面，在天线物理面积固 定的情况下，随着频率提高、波束宽度 减小，其收发增益都会增大。对于各种 天线实施方式而言，需要在尺寸和增 益之间做出权衡，才能找出最优的尺 寸。 5G天 线 技 术 与 设 计 要达到5G NR目标，需要在新的天线设 计中采用有源天线阵列，以扩大覆盖范 围、减少干扰并提高数据承载能力。 满足5G频率 范围完整频谱的要求 为 了 能 够 在 分 配 给 5 G 通 信 的 所 有 频 率 范 围 内 运 行 ，5 G N R 使 用 了 可 扩 展 的 框 架 ，该 框 架 可 在 4 5 0 M H z (兆赫)至6GHz(频率范围1[FR1])以及 24.25GHz 至52.6GHz 之间( 频率范围 2 [FR2 ]) 运行 。在具体实现上，5G NR 采 用 可 伸 缩 正 交 频 分 复 用(ODFM) 波 形来实现这一目标，该波形可在子载 波信号之间留出不同的间隔，以适应 不同频率范围提供的各种信道宽度 。 频 率 越 高，信 道 就 越 宽，子 载 波 间 隔 就越大；频率越低，信道就越窄，子载 波间隔就越小 。将子载波间隔缩放到 可用的信道宽度，就可以让5G框架在 很大的频率范围内运行，这就可以在 现有的4G 长期演进(LTE) 网络中部署 [ 转 下 页 ] | 40